Warum Biokunststoffe nur eingeschränkt “bio” sind

Bedruckte Kunststofffolie

Einige Kunststoffe können biologisch abgebaut werden – unter bestimmten Bedingungen. Deshalb erscheint ihr Einsatz nur manchmal sinnvoll und ist keinesfalls die Lösung unseres Plastikproblems.

Bezeichnungen können irreführend sein, das gilt auch für „Biokunststoff“. Darunter subsumiert man drei unterschiedliche Kunststoffgattungen: Kunststoffe, die auf biologischen Materialien wie Stärke basieren und biologisch abbaubar sind, Kunststoffe, die ebenfalls biobasiert sind, aber nicht biologisch abgebaut werden können, und Kunststoffe, die biologisch abbaubar sind, aber auf fossilen Materialien wie Erdöl basieren.

Diese Definition entstammt einem Sachstandspapier zur Bioabbaubarkeit von Kunststoffen, das Forschende des BMBF-Forschungsschwerpunkts Plastik in der Umwelt erstellt haben. Darin wird unter anderem beschrieben, wie ein Abbau vonstattengeht, welche biobasierten Kunststoffe bislang auf dem Markt sind und welches Potenzial sie für eine nachhaltigere Wirtschaft haben.

Wichtige Argumente aus diesem Papier stellen wir in diesem Blog vor, denn sie sind hilfreich, um seriös und informiert über den Sinn und Nutzen von Biokunststoffen diskutieren zu können. Ein weiterer Begriff spielt dabei eine zentrale Rolle, nämlich „biologische Abbaubarkeit“: Das heißt keineswegs, dass die Kunststoffe von selbst vergehen, sobald sie in die Umwelt entsorgt werden. Es heißt auch nicht, dass sie in Kleinstteile zerfallen, die nicht mehr mit bloßem Auge erkennbar sind. Letzteres wäre Fragmentierung, sprich es entsteht Mikroplastik. Biologischer Abbau heißt: Bakterien verstoffwechseln die Polymerketten, aus denen der jeweilige Kunststoff besteht, und integrieren die gewonnenen Kohlenstoff-Atome in den eigenen Kreislauf, ziehen also energetischen Nutzen daraus.

„Die Polymerketten können dabei nicht direkt in der Zelle verstoffwechselt werden, denn dafür sind sie zu lang“, erläuterte Professor Marc Kreutzbruck beim ‘Plastik in der Umwelt’-Webinar zum Thema Bioabbaubarkeit, das am 25. November 2021 stattfand. Er leitet gemeinsam mit Prof. Christian Bonten das Institut für Kunststofftechnik an der Universität Stuttgart und hat das Sachstandspapier mit verfasst. Die Zelle setzt dafür Enzyme ein, die die Ketten außerhalb der Zelle spalten. Sind die Polymere klein genug, besteht die Möglichkeit, dass eine intrazelluläre Verstoffwechselung stattfindet. Daran können auch mehrere, synergetisch arbeitende Bakterienstämme beteiligt sein.

Beim Abbau der Kunststoffe durch Bakterien helfen äußere Einflüsse, etwa UV-Licht, Temperatur, Feuchtigkeit und mechanische Einwirkung. Sie haben dabei meist entscheidende Bedeutung dafür, ob und wieviel Kunststoff wie schnell abgebaut wird. Zum Beispiel eine 30 Mikrometer dicke bioabbaubare Folie, wie sie eingesetzt wird, um Spargelfelder abzudecken: Während bei 60 Grad über 210 Tage ca. 90 Prozent des Kunststoffs abgebaut werden, sind es bei 20 Grad und über einen ähnlichen Zeitraum (180 Tage) rund zehn Prozent. 60 Grad wird nur in industrieller Kompostierung erreicht, auf dem Feld verrottet Folie offensichtlich kaum.

Das Beispiel illustriert zugleich ein grundlegendes Dilemma bei bioabbaubaren Kunststoffen: Was in der Nutzungsphase erwünscht ist, nämlich Belastbarkeit und Stabilität, ist für die Degradationsphase hinderlich. Die Folie soll den Spargel schützen und wärmen. Wird sie nicht mehr gebraucht, soll sie so schnell wie möglich abgebaut werden. Das kann nicht ohne weiteres funktionieren.

Biokunststoffe haben aktuell einen Anteil von einem Prozent am weltweiten Kunststoffmarkt. Das waren im Jahr 2020 immerhin 2,11 Millionen Tonnen. Biologisch abbaubar sind davon etwa 58 Prozent. Den größten Anteil daran hat Stärke, die meist zu thermoplastischer Stärke (TPS) aufbereitet wird, allerdings Wasser stark anzieht und spröde ist. Deswegen kommt sie meist in Mischungen mit anderen Kunststoffen zum Einsatz. An zweiter Stelle steht Polylactid (PLA), das zum Beispiel für Einweggeschirr verwendet wird. Es kann nur in industrieller Kompostierung abgebaut werden und ist recht teuer, also begrenzt marktfähig. Neben weiteren Kunststoffen wie PBAT und PBS stellte Marc Kreutzbruck beim Webinar Polyhydroxyalkanoate (PHA) vor, die aus Mikroorganismen gewonnen werden und sehr gut biologisch abbaubar sind. PHA ist allerdings steif und thermisch instabil und daher schwierig zu verarbeiten. Aktuell wird jedoch in verschiedenen Projekten daran gearbeitet, PHA zu verbessern, weshalb der Forscher ihn als bioabbaubaren Kunststoff der Zukunft einschätzt.

Biobasierte Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie von der endlichen Ressource Erdöl unabhängig sind. Zudem wird nach ihrem Lebensende bei ihrer Verbrennung oder dem Abbau nur jenes CO2 freigesetzt, welches die Rohstoffbasis der Biokunststoffe, also Pflanzen, während ihrer Wachstumsphase aufgenommen haben. Dennoch seien biobasierte Kunststoffe nicht immer zwingend nachhaltiger als konventionelle Kunststoffe, erläuterte Julia Resch, wissenschaftliche Mitarbeiterin Marc Kreutzbrucks, bei dem Webinar. Das liegt daran, dass der Anbau von Rohstoffen für biobasierte Kunststoffe sowie ihre Herstellung oftmals sehr aufwändig sind und zum Teil mehr Ressourcen erfordern als bei fossil basierten Kunststoffen. Zudem besteht das Risiko, dass sich das Problem der Vermüllung durch Biokunststoffe noch verschärft, weil Abfälle aus diesem Material scheinbar „guten Gewissens“ in die Umwelt entsorgt werden könnten. Dabei bauen sich etwa PLA-Kunststoffe in Meeren ähnlich langsam ab wie konventionelle Kunststoffe.

Dennoch können Biokunststoffe sinnvoll eingesetzt werden, und zwar immer dann, wenn sich ein Eintrag nicht vermeiden lässt, wie etwa auf Ackerflächen. Folien werden nach Gebrauch zwar eingeholt, doch durch den Einfluss der Witterung und andere Faktoren zerfallen auch herkömmliche Folien bereits auf dem Feld, und es ist nicht möglich, mit einem ökonomisch vertretbaren Aufwand alle Rückstände zu beseitigen. Weitere vorteilhafte Einsatzgebiete bioabbaubaren Kunststoffs sind Anwendungen, wo organischer und Kunststoffabfall nicht voneinander getrennt werden können, etwa bei Bioabfall-Sammelbeuteln, oder wo es kaum jemand macht, wie bei Aufklebern für Bananen und Äpfel.

Besonders sinnvoll ist der Einsatz bioabbaubarer Kunststoffe, die auch unter Alltagsbedingungen zerfallen, im Bereich der Straßensäuberung: Jährlich werden in Deutschland etwa 16 Tonnen Borsten für Kehrmaschinen eingesetzt. Der allergrößte Teil davon, etwa 80 Prozent, landet als Abrieb auf der Straße und damit in der Umwelt. Hier wären abbaufähige Produkte aus Stärke und PLA verfügbar, berichtete Julia Resch. Solche Alternativen sind allerdings deutlich teurer als Borsten aus herkömmlichem Material, weshalb es sinnvoll sein könnte, eine Umrüstung politisch zu fördern, erläuterte die Wissenschaftlerin.

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Dr. Ulf Stein ist als Senior Fellow für das Ecologic Institut tätig und koordiniert die Aktivitäten im Bereich Wasserpolitik. Gerade arbeitet er schwerpunktmäßig zu Plastik in der Umwelt. Er schwimmt gerne in mikroplastikfreien Gewässern und sieht noch viel Handlungsbedarf auf dem Weg zum nachhaltigen Umgang mit Kunststoffen.

9 Kommentare

  1. Die Stoffkreisläufe in der Natur beruhen doch darauf: Sind die Polymere klein genug, besteht die Möglichkeit, dass eine intrazelluläre Verstoffwechselung stattfindet.
    Also, wir müssen Sollbruchstellen in den Kunststoffen einbauen und dann darauf achten, dass die Bruchstücke verstoffwechselt werden.
    Das ist die langfristige Lösung.

    Wenn das nicht gelingt, wird die Erde zu einem Müllplaneten.

  2. Man muss an der Wurzel des Problems ansetzen. Die Menschen müssen ihre Ernährung umstellen und ihren Verbrauch senken. Dann wird die Umwelt weniger belastet. Bitte googeln: Manifest Natura Christiana

  3. Zitat:

    Das Beispiel illustriert zugleich ein grundlegendes Dilemma bei bioabbaubaren Kunststoffen: Was in der Nutzungsphase erwünscht ist, nämlich Belastbarkeit und Stabilität, ist für die Degradationsphase hinderlich.

    Klar. Am besten wäre wohl ein Kunststoff, der sich auf ein Signal hin abzubauen beginnt und der ohne dieses Signal stabil bleibt. Unter natürlichen Verhältnissen gibt es dieses Signal beispielsweise in Form von UV-Strahlung, die den Abbau in Gang setzt. Ohne UV-Strahlung bleibt der Abbau gering. Doch denke ich mir, die heutige Chemie und Verarbeitungstechnik sollte in der Lage sein, ein künstliches Signal zur Verfügung zu stellen. Das könnte etwa eine Beimischung zum Kunststoff sein, die wenn freigesetzt, den Kunststoff abzubauen beginnt. Die Freisetzung könnte über die Alterung des Kunststoffs aktiviert werden. Chemiker als Alchemisten haben doch sicher so etwas in ihrem Werkzeugkasten (?).
    Wenn es so etwas gäbe, hätten wir den Kunststoff mit Verfalldatum. Wäre auch für den Kunden praktisch: Wenn die Plastik-Verpackung eines Produkts sich zu zersetzen begänne, wüsste und sähe der Kunde direkt, dass das Ablaufdatum erreicht ist.

    • Martin Holzherr
      14.12.2021, 13:55 Uhr

      Es wäre schön, wenn wir Werkstoffe hätten, die ohne Degradation ihre Funktion erfüllen und nach Gebrauch oder bei Verlust sich quasi “in Luft auflösen” würden – aber erst dann, bitte nicht vorher!
      Es gibt einen weiteren Bereich, in dem man gerne “auf Knopfdruck abbaubare” Materialien hätte, in der Medizin. Neulich bin ich per Zufall auf einen Artikel gestoßen, in dem die Vorzüge und Nachteile von implantierbaren Verstärkungsnetzen besprochen wurden, dauerhafte und sich auflösende, man könnte auch an implantierte Schienen zur Heilung von Knochenbrüchen denken, die man nicht in einer zweiten OP wieder bergen muss ( wenn man nicht “biokompatible” Werkstoffe einfach drin lässt ). Das Hauptproblem scheint wohl zu sein, dass solche Werkstoffe schon lange vor der endgültigen Auflösung die Eigenschaften verlieren, deretwegen sie eingebaut wurden – Festigkeit – und das leider schon zu Zeiten, wo der Körper eigentlich noch auf die Unterstützung angewiesen wäre.
      Dem könnte man vielleicht durch das von Ihnen erwähnte UV-Licht abhelfen, für Abdeckfolien wäre das aber nicht angebracht, weil die sich in Fetzen davon machen würden, bei Abwasserrohren müsste man die nach der Bergung separat UV-bestrahlen, um den Zerfall einzuleiten und bei Implantaten …
      Auf der anderen Seite sehe ich ein chemisches Problem, die Einwirkung von außen ( ob Temperatur, UV-Licht oder Mikrowelle ) braucht einen reaktiven/aktivierbaren Komplex, an dem das Molekül in so kleine Stücke zerfällt, die dann biologisch/technisch verwertet werden können. Unter Umständen besteht dann der Werkstott fast nur noch aus reaktiven Komplexen und ob er dann noch eine nützliche Funktion ( außer eben der, auf Knopfdruck zu zerfallen ) erfüllen kann?
      Vielleicht bietet aber nicht die Chemie die Lösung, sondern die Biologie. Vor Jahren gab es im Nachgang zu einer Chemiekatastrophe auch den Befund, dass spezielle Mikroben sogar Dioxine an der Cl-Bindung knacken könnten, die Bruchstücke waren dann für andere Mikroben interessant.
      Und dann stelle man sich vor, dass solche speziellen Mikroben der Verwertungsfirma entfleuchten und sich an Abwasserrohren, Fensterrahmen, Reifen und sonstigen Plastikprodukten satt futtern würden …

  4. Martin Holzherr,
    Kunststoffe die als Baustoffe eingesetzt werden, die dürfen sich nicht zersetzen.
    Die Tonrohre der Vergangenheit, die werden jetzt durch PVC-Rohre ersetzt, weil das billiger ist als Stahlrohre.
    Es gibt keinen Ausweg aus dem Dilemma.

  5. Karl Bednarik,
    In der Medizin werden auch Kunststoffe verwendet, die sich gezielt abbauen. Beim Nähen von Wunden.

    Ein gegensätzlicher Weg wäre auch, dass Kunststoffe so langlebig und schön sind, dass sie nicht weggeworfen werden sondern als Rohstoff für neuen Gebrauch gesehen werden.

    Künstliches Elfenbein, Bakelit sind noch nach vielen Jahren ansehnlich, vielleicht sollte man auch diesen Weg beschreiten.

  6. Dabei bauen sich etwa PLA-Kunststoffe in Meeren ähnlich langsam ab wie konventionelle Kunststoffe.
    Hier wären abbaufähige Produkte aus Stärke und PLA verfügbar

    Ja Was jetzt?

    Ich bin ein verwirrter 3D Drucker

    • Hier unterscheiden sich die verschiedenen, verfügbaren Kunststoffe aus Stärke und PLA in ihrer Bioabbaubarkeit. Die Grundidee ist hier, dass sich die Biokunststoffe für bestimmte Einsatzgebiete (wie beispielsweise Borsten für die Straßenreinigung) schnell genug zersetzen, um gar nicht erst im Meer zu landen.